KR102647080B1 - 비정질 실리카 나노 분말을 이용한 투명한 실리카 소결체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기공 크기가 최소화되고 균질화되므로 기공 제거가 원활한 실리카 성형체의 제조방법 및 소결시 실리카 성형체내 점성유동에 의한 치밀화 과정이 극대화되어 투명도가 우수한 실리카 소결체를 제조할 수 있는 열처리 방법을 제공한다. 따라서 본 발명의 제조방법을 이용하면 비정질 실리카 나노분말을 이용하여 투광성이 향상된 투명한 석영유리를 제조할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 비정질 실리카 나노 분말을 이용한 투명한 실리카 소결체의 제조방법에 관한 것이다.
석영유리(Silica glass)는 고순도의 비정질 상(amorphous phase)으로 이루어진 유리로 낮은 열팽창계수(0.5×10-6/℃)와 우수한 화학적 내구성, 높은 전기저항성(1,016Ω·cm)을 가져 이화학기구, 절연체 등으로 사용된다. 또한 석영유리는 자외선 및 가시광선 영역에서 높은 투과율을 지니고 있어 렌즈, 광학재료 및 포토마스크 기판, 엑시머 스테퍼 장비용 렌즈 소재 등의 반도체, 디스플레이, 태양전지 산업에서도 가장 널리 쓰이는 공정 부품용 소재이다.
석영유리는 제조방법에 따라 용융석영유리, 합성석영유리로 나뉜다. 상기 두 제조방법의 가장 큰 차이점은 출발원료에 있다. 용융석영유리는 천연 석영(quartz)을 고온에서 용융하여 제조한다. 따라서 금속 불순물이 포함되어 있어 순도가 낮으므로 투광성(transparency)이 다소 떨어지는 단점이 있으며 1,800℃ 이상의 고온에서 용융하여 가공하므로 높은 제조비용이 요구된다는 단점을 지니고 있다.
합석석영유리(synthetic silica glass)는 사염화규소(silicon tetrachloride, SiCl4)를 이용한 화학기상증착법 및 알콕사이드법 등으로 제조된다. 따라서 상기 용융석영유리에 대비하여 불순물 함량이 적어 보다 우수한 광학적 특성을 지니는 장점이 있으나 제조 공정 중 발생하는 유해가스의 부식성, 휘발성, 독성 등으로 인하여 공정 시 장비의 내식성 및 사람에 대한 안전을 고려한 높은 비용 투자가 요구되는 단점이 있다.
종래의 제조 방법과는 달리 비정질 상을 보이는 나노 크기의 원형 실리카 분말을 사용하여 성형과 소결공정을 거쳐 비정질의 투명한 석영(silica)을 제조 할 수 있다. 비정질상을 보이는 물질의 소결거동은 결정질 상의 소결과는 달리 점성유동(viscous flow)을 통한 치밀화(densification) 거동이 주를 이룬다. 이러한 소결거동은 온도 상승에 따른 유동성 증가로 입자가 이동하여 입계(grain boundary) 및 기공(pore)이 제거됨으로 치밀화가 진행된다. 소결과정에서 비정질상 재료가 일정 온도 이상에 도달하게 되면 결정화(crystallization)가 일어나게 되고 확산(diffusion)등의 입자 이동 메커니즘이 발현된다. 그러나 소결체의 치밀화를 진행시키는 에너지는 비정질 상에서 결정질 상으로 전환되는데 소모되므로 점성유동에 의한 치밀화가 더 이상 일어나지 않게 되며 이때 소결체 내부에 제거되지 못한 기공 및 입계 그리고 결정상이 존재하게 되면 빛을 산란시키게 되므로 소결체의 투광성이 급격히 감소되는 문제점이 있었다.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
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본 발명은 비정질 실리카 나노 분말을 소결하여 투명한 실리카 소결체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 실리카를 소결하여 투명한 실리카 소결체를 제조하는 종래의 문제점을 극복하기 위하여 비정질 실리카 성형체 내 기공 크기가 최소화되고 균질화되므로 기공 제거가 원활한 최적의 성형조건 및 상기 성형체 내 점성유동에 의한 치밀화 과정이 극대화된 최적의 열처리 조건을 실험적으로 확인하고 상기 조건을 이용하면 투광성이 우수한 실리카 소결체를 제조할 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다. 따라서 본 발명의 목적은 소결을 이용한 투명한 실리카 소결체의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 실리카 분말을 준비하는 제 1 단계; 상기 실리카 분말을 압축성형하여 성형체를 제조하는 제 2 단계; 및 상기 성형체를 2℃/min의 승온속도로 1310 내지 1340℃의 온도에서 50 내지 240분간 열처리하거나 2℃/min의 승온속도로 1200 내지 1230℃의 온도에서 20 내지 28시간 동안 열처리하여 투명한 실리카 소결체를 제조하는 제 3 단계;를 포함하는 소결을 이용한 투명한 실리카 소결체의 제조방법을 제공한다.
상기 실리카 분말은 비정질 상태의 구형입자 형상을 가지는 것을 특징으로 하며 상기 성형체는 상기 실리카 분말에 대하여 일축가압성형(uniaxial press)으로 1차 성형한 후 냉간정수압성형(cold isostatic press)으로 2차 성형하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
상기 제조방법으로 제조한 투명한 실리카 소결체는 상기 성형체에 대한 열처리 후 수축률(shrinkage)이 45.5 내지 47.5%인 것을 특징으로 하며 자외선 영역(200~380 nm의 파장)의 빛은 19% 내지 58%, 적외선 영역(2000~2400nm)의 빛은 84% 내지 85% 투과시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기공 크기가 최소화되고 균질화되므로 기공 제거가 원활한 실리카 성형체의 제조방법 및 소결시 실리카 성형체내 점성유동에 의한 치밀화 과정이 극대화되어 투명도가 우수한 실리카 소결체를 제조할 수 있는 열처리 방법을 제공한다. 따라서 본 발명의 제조방법을 이용하면 비정질 실리카 나노분말을 이용하여 투광성이 향상된 투명한 석영유리를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 비정질 실리카 나노분말을 분석한 결과를 보여준다. 패널(a)는 비정질 실리카 나노분말의 미세구조를 보여주며, 패널(b)는 비정질 실리카 나노분말의 결정도를 보여주며; 패널(c)는 비정질 실리카 나노분말의 FT-IR 분석결과를 보여준다.
도 2는 본 발명의 투명한 실리카 소결체를 1200 내지 1350℃에서 1시간 열처리하여 제조한 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 투명한 실리카 소결체를 1350℃에서 1시간 열처리하여 제조한 결과를 보여준다.
도 4는 본 발명의 투명한 실리카 소결체의 절단면을 SEM으로 분석한 결과를 보여준다. 패널(a)는 1200℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(b)는 1250℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(c)는 1275℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(d)는 1300℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(e)는 1325℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(f)는 1350℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여준다.
도 5는 본 발명의 투명한 실리카 소결체를 XRD로 분석한 결과를 보여준다.
도 6은 본 발명의 투명한 실리카 소결체를 1325℃에서 소결하여 제조한 결과를 보여준다. 패널(a)는 소결체 사진을 보여주며 패널(b)는 표면 미세구조를 보여준다.
도 7은 본 발명의 투명한 실리카 소결체를 1215℃에서 12시간, 18시간, 24시간, 30시간 열처리하여 제조한 결과를 보여준다.
도 8은 본 발명의 투명한 실리카 소결체의 절단면을 SEM으로 분석한 결과를 보여준다. 패널(a)는 1215℃에서 12시간 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(b)는 1215℃에서 18시간 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(c)는 1215℃에서 24시간 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(d)는 1215℃에서 30시간 열처리하여 제조한 소결체를 보여준다.
도 2는 본 발명의 투명한 실리카 소결체를 1200 내지 1350℃에서 1시간 열처리하여 제조한 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 투명한 실리카 소결체를 1350℃에서 1시간 열처리하여 제조한 결과를 보여준다.
도 4는 본 발명의 투명한 실리카 소결체의 절단면을 SEM으로 분석한 결과를 보여준다. 패널(a)는 1200℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(b)는 1250℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(c)는 1275℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(d)는 1300℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(e)는 1325℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(f)는 1350℃에서 열처리하여 제조한 소결체를 보여준다.
도 5는 본 발명의 투명한 실리카 소결체를 XRD로 분석한 결과를 보여준다.
도 6은 본 발명의 투명한 실리카 소결체를 1325℃에서 소결하여 제조한 결과를 보여준다. 패널(a)는 소결체 사진을 보여주며 패널(b)는 표면 미세구조를 보여준다.
도 7은 본 발명의 투명한 실리카 소결체를 1215℃에서 12시간, 18시간, 24시간, 30시간 열처리하여 제조한 결과를 보여준다.
도 8은 본 발명의 투명한 실리카 소결체의 절단면을 SEM으로 분석한 결과를 보여준다. 패널(a)는 1215℃에서 12시간 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(b)는 1215℃에서 18시간 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(c)는 1215℃에서 24시간 열처리하여 제조한 소결체를 보여주며; 패널(d)는 1215℃에서 30시간 열처리하여 제조한 소결체를 보여준다.
본 발명은 하기의 단계를 포함하는 투명한 실리카 소결체의 제조방법을 제공한다:
실리카 분말을 준비하는 제 1 단계; 상기 실리카 분말을 압축성형하여 성형체를 제조하는 제 2 단계; 및 상기 성형체를 2℃/min의 승온속도로 1310 내지 1340℃의 온도에서 50 내지 240분간 열처리하거나 2℃/min의 승온속도로 1200 내지 1230℃의 온도에서 20 내지 28시간 동안 열처리하여 투명한 실리카 소결체를 제조하는 제 3 단계.
본 발명의 제조방법은 빛 투과율이 높아 투명도가 높은 투명한 실리카 소결체를 제공한다. 이를 위하여 본 발명에서는 성형체내의 기공크기가 작고 균질하도록 최적의 성형조건을 확립하고 상기 성형체의 점성유동에 의한 치밀화가 극대화되도록 최적의 소결처리 조건을 확립하였다.
상기 실리카 분말은 비정질(amorphous) 상태의 구형입자 형상을 가지는 것을 특징으로 하며 바람직하게는 평균지름 10 내지 900nm 크기의 구형 비정질 실리카 분말인 것을 특징으로 한다. 상기 실리카 분말은 일축가압성형(uniaxial press)으로 1차 성형한 후 냉간정수압성형(cold isostatic press)으로 2차 성형하여 제조하는 것을 특징으로 한다. 상기 일축가압성형은 탄력성이 없는 성형틀내에서 단일축 방향으로 가압하여 분말을 압축성형하는 방법을 의미하며 상기 냉간정수압성형은 탄력성이 있는 성형틀에서 액체를 이용하여 등방압(Isostatic Pressure)으로 가압하여 압축성형하는 방법을 의미한다. 상기 냉간정수압성형은 등방압으로 성형하기 때문에 크기, 모양 및 위치 관계없이 일정한 성형밀도를 가지는 장점이 있다. 상기 1차 성형은 주로 성형체의 형태를 형성하는 과정이며 상기 2차 성형은 성형체내의 기공크기가 작고 균질하도록 하는 과정이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 일축가압으로 1차 성형 한 후 냉간정수압성형으로 2차 성형한 성형체의 성형밀도는 1 내지 1.2g/cm3가 바람직하며 이를 위해서는 170 내지 230MPa의 성형압 및 3 내지 7분의 유지시간으로 성형하는 것이 바람직하다.
상기 1차 및 2차 성형을 통해 제조한 성형체는 2℃/min의 승온속도로 1310 내지 1340℃의 온도에서 50 내지 240분간 열처리하거나 2℃/min의 승온속도로 1200 내지 1230℃의 온도에서 20 내지 28시간 동안 열처리하여 투명한 실리카 소결체를 제조한다.
상기 1310 내지 1340℃의 온도로 소결하는 조건은 50 내지 240분간의 열처리만으로 투명한 소결체를 제조할 수 있는 장점이 있으며 소결온도가 1310℃ 미만이거나 1340℃를 초과하여 열처리하게 되면 소결체의 투명도가 저하될 수 있다.
상기 1200 내지 1230℃의 온도로 소결하는 조건은 20 내지 28시간 동안 열처리를 통해 투명한 소결체를 제조할 수 있으며 소결온도가 1200℃ 미만이거나 1230℃를 초과하여 열처리하게 되면 소결체의 투명도가 저하될 수 있다.
본 발명의 제조방법으로 제조한 투명한 실리카 소결체는 상기 성형체에 대한 열처리 후 수축률(shrinkage)이 45.5 내지 47.5%인 것을 특징으로 하며 소결체의 밀도가 2.15g/cm3로 증가한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법으로 제조한 투명한 실리카 소결체는 자외선 영역(200~380 nm의 파장)의 빛은 19% 내지 58%, 적외선 영역(2000~2400nm)의 빛은 84% 내지 85% 투과시키는 것을 특징으로 한다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
1. 실험방법
1) 실리카 원료 분말
본 발명의 성형체 제조를 위한 실리카 원료 분말은 석경AT에서 구입하였다(SG-700). 상기 실리카 원료 분말은 전계방출주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, JSM-7100F, JEOL)을 사용하여 크기와 모양을 관찰하였다. 또한 X-선 회절분석기(X-Ray Diffractometer, Smartlab, RIGAKU)와 푸리에변환적외선 분광계(FT-Infrared Spectrometer, Spectrum400, perkinelmer)을 이용하여 출발분말의 결정상(crystal phase) 및 결합구조(bond structure)를 분석하였다.
2) 성형체의 제조
지름 15mm의 원형몰드에 0.5g의 실리카 분말을 넣어 100psi의 압력으로 1분간 일축가압성형(uniaxial press)하는 방법으로 Φ15mm*2mm 크기의 디스크 모양 1차 성형체를 제조 하였다. 상기 1차 성형체(green body)의 충진밀도(packing density)를 증가시키기 위해 150MPa~ 250MPa 압력으로 5분 또는 10분간 냉간등압성형(cold isostatic press)을 진행하여 2차 성형체(최종 성형체)를 얻었다. 상기 성형체는 치수측정법을 통하여 성형밀도(green density)를 측정하고 이를 비교하였다.
3) 성형체의 소결
상기 2차 성형체는 대기분위기에서 전기로를 이용하여 소결을 진행하였다. 상기 소결은 2℃/min의 승온속도(heating rate)로 1200 내지 1350℃에서 1시간 열처리하는 방법으로 수행하였다. 각 온도 조건을 달리하여 소결된 소결체(시편)들에 대하여 SEM과 XRD 분석을 수행하여 미세구조와 결정화(crystallization) 여부를 고찰하였다.
또한 결정화가 일어나지 않는 비교적 낮은 온도인 1215℃에서 각각 12, 18, 24, 30 시간으로 소결 유지시간을 조절하여 투명한 소결체 제조를 시도하고, 얻어진 시편의 밀도, 미세구조, 결정상 분석을 실시하였다.
소결체의 투과율은 자외선-가시광선 분광광도계(UV-Vis Spectrometer, Lambda365, PerkinElmer)를 이용하여 분석, 비교하였다.
2. 실험결과
본 발명에서 사용한 실리카 분말은 도 1에서와 같이 비정질 상태의 구형입자 형상을 보이며, 입자의 크기는 약 700 nm를 보이는 것으로 확인되었다. 도 1의 패널 (c)는 분말의 구조를 분석한 FT-IR스펙트럼 결과를 보여준다. 실험결과 실리카 구조 이외에 수산기 등의 피크는 관찰되지 않았다. 도 1의 FT-IR스펙트럼 결과에서 480cm-1의 피크는 Si-O 결합의 굽힘 진동을 의미하며 808cm-1의 피크는 사면체 사이에 산소를 연결하는 Si-O-Si 대칭의 신축 진동을 의미한다. 또한 1,103cm-1의 피크는 사면체 내 가교산소의 Si-O-Si 비대칭 스트레칭 구조를 의미한다.
수산기 및 불순물은 비정질 실리카 입자의 핵생성을 촉진시키며 동시에 비정질 실리카의 결정화 온도를 낮추어 결정상 형성을 촉진시키므로 치밀한 투광성 샘플 제조를 위해서는 존재하지 않는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에 사용된 실리카 분말은 매우 적합한 분말인 것으로 판단된다.
상기 실리카 분말을 이용한 냉간정수압성형 공정 시 성형압(Forming pressure, MPa) 및 유지시간(Holding time, min)을 조절하여 다양한 성형체를 제조하였다. 표 1은 이를 통해 제조된 각 성형체의 밀도값(Green density, g/cm3)을 보여준다.
| Conditions And Results | ||||||
| Forming Pressure | 150MPa | 150MPa | 200MPa | 200MPa | 250MPa | 250MPa |
| Holding Time | 5min | 10min | 5min | 10min | 5min | 10min |
| Green Density | 1.11g/cm3 | 1.11g/cm3 | 1.12g/cm3 | 1.12g/cm3 | 1.12g/cm3 | 1.12g/cm3 |
200MPa 압력으로 5분간 성형하여 제조한 성형체는 성형밀도가 1.12 g/cm3인 것으로 확인되었으며 그 이상의 압력 및 유지시간을 주어도 비교적 일정한 성형밀도 값을 유지하는 것으로 확인되었다. 이에 따라 이후 모든 성형체는 200MPa 압력하에서 5분 동안 성형하여 제조하는 것으로 하였다.
도 2는 본 발명의 각 소결온도에서 열처리 한 소결체 샘플의 투광성 정도를 육안으로 비교한 것을 보여준다. 1200℃에서부터 1325℃까지는 소결온도가 증가됨에 따라 샘플의 투광성이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 특히 1325℃ 열처리 시 가장 우수한 투광성을 나타내었다.
그러나 그 이상으로 소결온도를 높이면 다시 불투명해지는 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 특히 저온에서 열처리 한 소결체와는 달리 1350℃에서 소결한 시편은 바깥면은 불투명하나 그 내부는 투명한 상태를 나타내었다. 도 3은 1350℃에서 소결한 시편의 표면과 내부의 차이를 보여준다.
도 4는 각 온도에서 소결된 샘플 파단면의 미세구조를 보여준다. 1200℃에서는 입자간에 neck이 형성되기 시작하는 모습이 관찰되었으며, 원형 입자 사이의 기공이 비교적 균일하게 분포되어 있는 것을 볼 수 있었다. 1250℃에서는 입자간 접촉면이 증가하여 입계(grain boundary) 면적이 넓어졌으며 열린 기공(open pore)의 크기가 더욱 균일해진 것을 볼 수 있다. 1275℃에서는 pore들은 대부분 닫힌 기공(closed pore)으로 바뀌고, 활발한 점성유동에 의한 입자 이동으로 입계 및 잔여 기공이 서서히 사라지고 있는 것을 볼 수 있다. 1300℃에서는 점성유동에 의하여 grain boundary는 거의 소멸되고 기공 내부의 원자의 확산이 지속적으로 일어나 원형의 잔유기공이 미미하게 관찰되었고, 1325℃에서는 입계와 기공이 모두 관찰되지 않았다. 1350℃에서는 시편의 내×외부에 분명한 차이를 확인할 수 있었다. 투광성을 보이는 안쪽면은 미세구조에서 보듯이 기공 및 입계가 관찰되지 않았으나, 바깥쪽 부분에서는 결정화가 일어나 cristobalite 상의 원형의 결정들이 관찰되었다.
도 5는 소결온도에 따른 시편의 XRD 분석 결과를 보여준다. 1200℃에서부터 1250℃까지는 특정 peak가 관찰되지 않는 비정질 상태를 나타내었으나 1275℃부터 미세한 cristobalite 피크가 관찰되었으며, 가장 투광성이 뛰어난 1325℃ 열처리 한 시편의 경우도 cristobalite 결정상이 관찰되었다. 1350℃에서 열처리 한 시편은 표면과 내부를 나누어 각각 분석을 진행하였다. 그 결과 내부는 비절질, 표면은 cristobalite 상의 강한 피크가 관찰되었다. 표면과 내부의 차이는 열처리 시 열이 표면부터 안쪽으로 전달되므로 표면부터 핵이 생성되어 성장한 결과라 판단된다.
Frenkel model의 점성유동 소결모델에 대한 관련 식은 다음과 같다.
ρ 0 는 초기밀도, ρ g 는 유리 밀도, γ는 유리의 표면에너지, η(T)는 온도에 따른 점도값을 나타낸다.
시간에 따른 밀도(ρ(t))는 온도에 따른 점도값과 유리의 표면에너지에 의해 좌우되지만 사실상 소결 시 표면에너지의 변화는 크지 않아 결과적으로 밀도는 점도를 좌우하는 온도에 의존한다. 이러한 이론식은 소결체의 수축률에서도 확인이 가능하며 온도에 따른 수축률 비교를 표 2에 나타내었다.
| Conditions and Results | ||||||
| Sintering Temp. | 1200℃ | 1250℃ | 1275℃ | 1300℃ | 1325℃ | 1350℃ |
| Shrinkage | 31% | 35% | 42% | 45% | 47% | 48% |
소결온도(Sintering Temp. ℃)가 높아질수록 수축률(shrinkage, %) 또한 증가되는 것을 확인할 수 있으며 특히 1275℃와 1300℃ 사이에서 큰 수축률을 보였다. 이는 매우 짧은 온도구간에서 입자성장과 함께 기공소멸이 일어난 것을 의미한다.
소결온도 외에 유지시간도 소결에 영향을 미친다. 도 6은 높은 투광성을 보인 1325℃에서 5시간 유지하여 제조한 소결체를 보여준다. 실험결과 1시간 유지하였을 때와는 달리 불투명한 소결체가 얻어졌다. 미세구조 관찰 결과, 결정화가 일어나 투광성이 저하된 것으로 판단되며 실리카의 결정화에 유지시간도 중요한 변수임을 알 수 있었다. 결정화로 인해 투광성이 저하되는 온도차가 25℃에 불과하고 투광성이 발현되는 온도에서도 유지시간의 차이로 쉽게 결정화 되는 실리카의 특성상, 온도 제어를 통한 투광성 조절은 어려움이 있을 것으로 판단되었다. 따라서 투광성 저하의 원인이 되는 결정화를 방지하기 위하여 결정화가 일어나지 않는 비교적 낮은 온도인 1215℃에서 유지시간을 조절하여 소결을 진행하였다. 표 3은 유지시간에 따른 소결체의 밀도값을 보여준다. 실험결과 유지시간이 길어짐에 따라 소결 밀도도 증가하는 것이 확인되었다.
| Conditions and Results | ||||
| Holding Time | 12hr | 18hr | 24hr | 30hr |
| Sintering Density | 2.02g/cm3 | 2.13g/cm3 | 2.15g/cm3 | 2.18g/cm3 |
도 7은 유지시간에 따른 소결시편의 투광성을 비교한 결과를 보여준다. 실험결과 12시간까지는 불투명 하였으나 18시간부터 투광성이 발현 되었으며, 24시간 유지시간에서 가장 높은 투광성이 관찰되었다. 하지만, 24시간 이상의 유지시간을 주었을 때 다시 투광성이 저하되는 것을 육안으로 확인할 수 있었다.
표 4는 유지시간에 따른 수축률 비교 결과를 보여준다. 표 4의 결과에 따르면 점성유동 소결기구에서는 소결수축 정도가 시간에 비례한다는 것이 확인되었다.
| Conditions and Results | ||||
| Holding Time | 12hr | 18hr | 24hr | 30hr |
| Shrinkage | 34% | 43% | 46% | 48% |
도 8은 유지시간 조절에 따른 소결시편의 미세구조를 관찰한 결과를 보여준다. 실험결과 유지시간 12시간에서는 입자 사이의 neck만이 형성되어 치밀화가 일어나지 않아 입계와 다량의 기공이 관찰되었다. 유지시간 18시간과 24시간에서는 기공 및 입계가 관찰되지 않았으나, 유지시간 30시간에서는 굴곡진 부분이 보이기 시작하였다.
상기 결과는 결정화 발현의 초기 현상으로 생각되며 이를 확인하기 위하여 유지시간에 따른 XRD 분석을 실시하였다. 도 9는 XRD 분석결과를 보여준다. 분석결과 12시간에서부터 24시간까지는 비정질 상이 관찰되었으나 30시간에서는 cristobalite 결정 피크가 관찰되는 것이 확인되었다.
도 10 및 표5는 육안으로 판단한 투광성 정도를 자외선-가시광선 분광계를 이용하여 측정한 투과율을 보여준다.
| 실험 데이터영역 | 소결시간 | 투과율 | |
| 자외선(1nm-380nm) | 200nm-380nm | 24hr | 19-58% |
| 30hr | 10-28% | ||
| 18hr | 2-10% | ||
| 가시광선(380nm-770nm) | 380nm-780nm | 24hr | 58-73% |
| 30hr | 28-40% | ||
| 18hr | 10-19% | ||
| 적외선(770nm-1mm) | 780nm-2400nm | 24hr | 73-85% |
| 30hr | 40-68% | ||
| 18hr | 19-49% |
측정 결과 12시간 소결한 시편은 모든 파장대에 대하여 투과율이 0%였으며, 24시간 소결한 시편에서는 자외선 영역(200~380 nm의 파장)은 19% 내지 58%, 적외선 영역(2000~2400nm)은 84% 내지 85%의 투과율을 보였다.
4. 결론
본 발명에서는 불순물이 없는 균일한 크기를 갖는 비정질의 구형 나노 실리카 분말을 이용하여 투광성 실리카 소결체를 제조하였다. 성형제 제조조건, 소결온도, 유지시간 등의 변수를 조절하여 치밀화에 따른 투광성을 유도하였으며, 분말 성형체는 점성유동에 의한 소결기구 거동을 보였다. 치밀화가 진행됨에 따라 기공과 입계가 사라지고 투광성이 발현되었으며, 온도와 유지시간에 예민하게 의존하는 cristobalite의 결정화는 투광성을 저하시켰다.
보다 안정된 비정질 소결체 제조를 위해, 결정화가 발생하지 않은 비교적 낮은 온도인 1215℃에서 유지시간을 조절한 결과, 투광성이 발현되는 비정질의 실리카 소결체를 얻을 수 있었다. 이러한 소결체는 자외선 영역(200~380 nm의 파장)의 빛은 19% 내지 58%, 적외선 영역(2000~2400nm)의 빛은 84% 내지 85%의 투과율을 보였으며, 이러한 결과는 기존의 석영유리로 제조되는 자외선 투과렌즈의 제조에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.
Claims (5)
- 실리카 분말을 준비하는 제 1 단계;
상기 실리카 분말을 압축성형하여 성형체를 제조하는 제 2 단계; 및
상기 성형체를 대기분위기에서 2℃/min의 승온속도로 1200 내지 1230℃의 온도까지 승온한 후 20 내지 28시간 동안 유지하는 방법으로 열처리하여 투명한 실리카 소결체를 제조하는 제 3 단계;
를 포함하는 소결을 이용한 투명한 실리카 소결체의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 실리카 분말은 비정질 상태의 구형입자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 소결을 이용한 투명한 실리카 소결체의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 성형체는 상기 실리카 분말에 대하여 일축가압성형(uniaxial press)으로 1차 성형한 후 냉간정수압성형(cold isostatic press)으로 2차 성형하여 제조하는 것을 특징으로 하는 소결을 이용한 투명한 실리카 소결체의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 투명한 실리카 소결체는 200 내지 380 nm의 파장의 빛은 19% 내지 58%, 2000 내지 2400nm의 빛은 84% 내지 85% 투과시키는 것을 특징으로 하는 투명한 실리카 소결체의 제조방법.
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